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任务接受
客户报修：比亚迪秦Pro EV纯电动汽车行驶中动力突然中断，组合仪表动力系统故障警告灯点亮，并显示“EV功能受限”字样。
学习目标
1）能够描述动力蓄电池管理系统的基本作用和总体组成。
2）能够解释动力蓄电池管理系统的结构原理。
3）能够分析动力蓄电池管理系统的常见故障。
4）能够描述动力蓄电池管理系统检测与诊断方法。
5）能够进行电池管理器的拆装更换。
6）激发学生立志成才，培养学生深入思考、勇于创新的能力。
任务准备
电动汽车动力系统故障牵涉众多系统，本任务重点讨论动力蓄电池管理系统引起的故障。
1.动力蓄电池管理系统的作用
动力蓄电池管理系统（Battery Management System，BMS）是监视动力蓄电池的状态（温度、电压、荷电状态等），可以为动力蓄电池提供通信、安全、电芯均衡及管理控制，并提供与应用设备接口的系统。根据QC/T 897—2011《电动汽车用电池管理系统技术条件》要求，BMS具有以下几个功能。
（1）监测 BMS实时采集监测和显示电源系统的状态参数，包括总电压、总电流、单体蓄电池的电压与温度、漏电信号等。
（2）计算 根据检测的数据，BMS计算荷电状态、健康状态、放电及充电功率限制、电池寿命、车辆剩余续驶里程等。
荷电状态（Stage Of Charge，SOC）是指当前蓄电池中按照规定放电条件可以释放的能量占可用容量的百分比。
（3）通信 BMS内部和外部都需要通过可靠的通信方式发送数据信息，使车辆协调运行。
（4）保护 保护功能涵盖故障诊断和处理两方面内容，包括过电压、欠电压、过电流、低温、高温、漏电、短路等，及时报警和进行安全保护。
锂离子蓄电池的过电压、欠电压往往是过充和过放引起，应严格防止。因为锂离子蓄电池放电时，不允许锂离子完全移到正极，以保证下次充电时锂离子顺畅嵌入通道，否则电池寿命就会急剧缩短，所以不能过放电，应严格控制放电的终止电压；充电时，也不允许过充，因为过充会导致正极板中的锂离子迁移过多，造成晶格坍塌，使电池寿命缩短。
（5）优化 优化主要是蓄电池组的各单体蓄电池电压和温度的平衡，否则将导致电池的“木桶效应”（图3-1），即某一节蓄电池短板，将导致所有蓄电池按照短板蓄电池性能计算，大大降低了蓄电池组的性能和寿命。
（6）其他 BMS还有如高压互锁、蓄电池预充控制等功能。
2.动力蓄电池管理系统的组成架构
（1）BMS基本组成 动力蓄电池管理系统包括硬件和软件两部分。
硬件一般由主控模块、高压模块和分布测量模块组成，各模块间采用CAN总线通信，如图3-2所示。
图3-1 木桶效应
图3-2 动力蓄电池管理系统基本组成
分布测量模块（也称数据采集器）采用专用芯片进行电压采集、温度采集和均衡管理，采用CAN收发器模块来和主控模块通信，每个分布测量模块可进行多路信号采集、均衡控制和温度监测。
高压模块负责总电压、总电流采集与绝缘电阻计算，以及给主控模块上传数据。
主控模块包括系统电源、输入检测、继电器控制和通信接口等电路，通过CAN总线与整车控制器、电机控制器、组合仪表、高压模块和分布测量模块进行通信，并为高压模块和分布测量模块提供12V直流电源。主控模块通过内部CAN获取高压模块的总电压、总电流、绝缘电阻数据和分布测量模块的单体蓄电池电压与温度数据，根据获得的数据计算SOC。其功能主要包括：系统报警功能，如单体蓄电池欠电压与过电压报警（可切断充放电回路）、蓄电池组欠电压与过电压报警（可切断充放电回路）、温度过高与过低报警（可切断充放电回路）、SOC过高与过低报警（可切断充放电回路）、绝缘电阻过高与过低报警（可切断充放电回路）、电流过高与过低报警（可切断充放电回路）；通过I/O口检测输入信息（比如钥匙状态）进行输出控制；通过整车CAN总线给VCU（整车控制器）或组合仪表发送电池组工作状态参数；通过充电CAN总线控制充电机充电（设置充电电流与电压）；通过内部CAN向远程监控模块发送监控数据。
软件分别对主控模块和测量模块的各功能单元编写软件程序，而后联结起来构成整个系统程序。主控模块主程序流程如图3-3所示，上电后对系统进行自检和初始化，而后进入总电压和电流测试、SOC估算、数据存储和发送等功能的主循环。测量模块主程序流程如图3-4所示，上电后对系统进行自检和初始化，而后进入单体蓄电池电压和节点温度采集、数据存储、均衡控制和发送主循环。
图3-3 主控模块主程序流程
图3-4 测量模块主程序流程
高瞻远瞩
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重视人才——立志成才
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为民族品牌崛起奋斗
2022年11月16日，中国汽车工业迎来了一个重要时刻——比亚迪新能源第300万辆整车隆重交付。比亚迪仅2022年前9个月的新能源车销量就高达118万辆，同比增长249.56%，成为全球销量第一的新能源汽车品牌。如此优异的答卷离不开公司高层决策管理与战略目光。2022年上半年，比亚迪继续加大全产业链研发投入，累计投入65亿元，同比增长47%；截至6月底，比亚迪仅研发人员就有超过3.5万名，全球累计申请专利3.7万项、授权专利2.5万项。
作为新能源汽车的领导者，比亚迪是全球唯一掌握电池、电机、电控及车规级芯片等新能源全产业链核心技术的车企，并拥有刀片电池、e平台3.0、DM-i超级混动等行业领先技术，通过上下游的垂直整合，成功掌握电动汽车全产业链，实现了我国新能源汽车产业“三电”技术从“跟跑”到“并跑”再到“领跑”的发展历程以及“创新驱动、产业升级”的奋斗过程。比亚迪对技术和人才的重视，激发了学生立志成才、为民族品牌的崛起而读书的担当与情怀。
根据布置形式的不同，蓄电池管理系统有集中式与分布式两种。集中式是通过BMS中央处理模块对蓄电池组的电流等状态信息进行收集处理和调控，其处理能力有限，对有大量单体蓄电池的BMS系统，操作压力大，运行效率低。目前大部分采用分布式，即结构分散布置，多个分布子系统并联，模块间利用CAN总线互相连接，保证了对动力蓄电池电压、电流和温度的同步测量精度。
（2）比亚迪秦Pro EV纯电动汽车的电池管理系统 比亚迪秦Pro EV纯电动汽车BMS架构如图3-5所示，主要包括电池管理器、信号（电压、电流、温度）采集系统、充配电总成（各种接触器、熔丝、车载充电系统、充放电控制系统）、车载网络（CAN）等。
图3-5 比亚迪秦Pro EV纯电动汽车BMS架构
电池管理器位于车辆前机舱充配电总成的右下方，固定在车身大支架上，具体位置如图3-6所示。电池管理器接收信息采集器采集到的各单体电池的电压和温度信息（每个单体电池都有一根电压采样线和一根温度采样线，比亚迪秦Pro EV纯电动汽车有119个单体，就分别有119根电压和温度采样线），并通过CAN总线与整车控制器进行数据交换。
图3-6 比亚迪秦Pro VE纯电动汽车电池管理器
充配电总成将DC/DC变换器、车载充电机OBC以及高压配电箱PDU进行高度集成，其外部和内部结构如图3-7所示。
在配电的部分，PDU主要负责把动力蓄电池输出的高压电与驱动电机控制器相连接，并与空调PTC、空调压缩机、DC/DC变换器以及电池加热器等高压附件进行动力的分配，如图3-8所示。另外，通过直流充电正极接触器、直流充电负极接触器与快充回路相连接，车载充电机通过车载充电机输入熔丝与慢充回路相连接，如图3-9所示。
图3-7 比亚迪秦Pro EV纯电动汽车充配电总成
a）外部结构 b）内部结构
图3-8 充配电总成动力分配
a）接驱动电机控制器 b）接空调PTC、空调压缩机
图3-9 充电电流走向
a）直流充电时电流流向 b）交流充电时电流流向
温馨提示：
比亚迪秦Pro EV纯电动汽车充配电总成PDU部分的结构视频可扫二维码资源3.1观看。
车载充电系统包含交流和直流两部分，交流充电用于家庭充电和交流充电桩，通过车载充电机将家用220V交流电转为高压直流电给动力蓄电池充电；直流充电通过充电站的充电柜使用高压直流电直接给动力蓄电池充电。
车载充电系统主要由充配电总成、直流充电口、交流充电口、电池管理器和动力蓄电池等组成（图3-10）。
图3-10 比亚迪秦Pro EV纯电动汽车充电系统
比亚迪秦Pro EV纯电动汽车电池管理系统电路如图3-11所示。
图3-11 比亚迪秦Pro EV纯电动汽车电池管理系统电路
a）电池管理器A口
图3-11 比亚迪秦Pro EV纯电动汽车电池管理系统电路（续）
b）电池管理器B口
3.动力蓄电池管理系统的工作原理
（1）数据采集基本原理 数据采集包括单体蓄电池的电压、电流、温度和电池组的总电压、总电流，它是所有控制、保护和显示的基础。
1）单体蓄电池的电压采集。目前普遍采用ASIC（Application Specific Integrated Circuit）来完成，检测电路如图3-12所示。如比亚迪秦Pro EV纯电动汽车通过119根电压采样子线，采集各单体电池的电压信息。
2）蓄电池包总电压检测。单体蓄电池的电压采样有一定的时间差异性，无法与电池传感器数据实现精确对齐，必须通过采集电池包总电压进行SOC计算。在诊断继电器时，又需要电池包内外电压一起比较，所有测量电池包电压至少有二路 U 0 和 U 1 （图3-13）。
图3-12 数据采集专用集成电路
图3-13 蓄电池包总电压检测电路
3）单体蓄电池的温度采集。电池由于存在内阻，工作时温度是会升高的，在-10～10℃和40℃温度附近，对电池性能影响较大。温度检测普遍采用热敏电阻温度传感器进行，采集电路如图3-14所示。
图3-14 单体蓄电池温度检测电路
4）蓄电池包流体温度采集。用于检测电池包冷却液温度，通过水温传感器一旦发现冷却液温度过高，电池冷却控制器就会控制冷却水泵继电器闭合，水泵电机运转加强散热效果。
5）电流检测。因为电池包内的单体电池是串联起来给整车供电，所以电流检测一般只需要一个工具。测量工具主要有智能分流器或霍尔式电流传感器。
智能分流器（图3-15）实际上是一个阻值很小的电阻，当直流电流通过电阻时，在电阻两端产生电压降，用来检测总电流的大小。
图3-15 电流智能分流器
霍尔式电流传感器根据霍尔效应原理（图3-16a）制造，即当电流垂直于外磁场通过导体时，载流子发生偏转，垂直于电流和磁场的方向会产生一种附加电场，从而在导体的两端产生电势差，电势 U H 的大小与电流和磁感应强度成正比，即
U H = KIB sin α
式中， K 是霍尔系数，取决于材质、温度和尺寸； I 是电流； B 是磁感应强度； α 是电流和磁场方向的夹角。
由于这种电流测量方法属于非接触式，所以电动汽车的电流检测普遍采用该方法（图3-16b）。
图3-16 霍尔效应及其霍尔电流传感器
a）霍尔效应 b）霍尔电流传感器
（2）SOC估算原理 动力蓄电池SOC大小与电池容量衰减、自放电、电池一致性、放电时的电流、温度等众多因素有关。其估算方法较多，有放电试验法、安时计量法、开路电压法、线性模型法、内阻法、卡尔曼滤波法和神经网络法等，各种方法都有特定的优缺点（表3-1），是目前电动汽车研究的一个热点。
表3-1 动力蓄电池SOC估算方法比较
（3）健康状态（SOH）估算 动力蓄电池的健康状态是指动力蓄电池当前的容量能力，即在一定条件下，动力蓄电池所能充入或放出电量与电池标称容量的百分比。随着电池充放电次数及搁置时间累积，蓄电池内部电极材料的相变、电解液的分解、活性物质的溶解、固体电解质界面膜（SEI）的形成、正极界面阻抗的增长，都会导致电池容量能力降低。
根据采集的动力蓄电池的电压、电流、内阻、电量等众多参数，通过建模和程序计算，可以得到SOH估算值。SOH建模方法有电化学模型、电路模型及经验模型等，也是目前的研究热点。
（4）蓄电池组管理优化原理 BMS通过对蓄电池组的各单体蓄电池、电流和温度等进行均衡控制，从而把电池组控制在最佳效率和最佳寿命区工作（图3-17）。
图3-17 蓄电池适宜工作区
蓄电池组的均衡控制分为充电均衡、放电均衡和动态均衡3种。充电均衡是在充电过程中后期，单体电压达到或超过截止电压时，均衡电路开始工作，减小单体电流，以限制单体电压不高于充电截止电压；放电均衡是在电池组输出功率时，通过补充电能限制单体电压不低于预设的放电终止电压；与充电均衡和放电均衡不同，动态均衡不论在充电状态、放电状态，还是浮置状态，都可以通过能量转换的方法实现组中单体电压的平衡，实时保持相近的荷电程度，尽管单体之间初始容量有差异，工作中却能保证相对的充放电强度和深度的一致性，渐进达到共同的寿命终点。
以均衡过程中电路对能量的消耗情况分，又可分为能量耗散型和能量非耗散型两大类。
如图3-18所示，能量耗散型均衡电路是通过选用一定阻值的电阻对选定的电压最高的蓄电池单体进行放电，直至与电压最低的蓄电池单体相匹配，从而实现均衡。这是一种最简单、最实用的电池均衡方法，但造成了能量的损耗和散热问题。
图3-18 能量耗散型均衡电路
图3-19 能量非耗散型均衡电路
如图3-19所示，能量非耗散型均衡电路采用电容、电感作为储能元件，通过切换开关把蓄电池组中容量高的单体电池能量，通过储能元件转移到容量较低的单体电池上。转换电路的损耗低，具有均衡效率高、产生热量低的优点。
（5）预充控制原理 因为电动汽车的电机控制器和空调控制器等都含有电容，如果没有预充电控制电路，动力蓄电池的主正、主负继电器直接与电容器C闭合，电池组电压在434V以上，而电容器两端电压为0V，相当于瞬间短路，易导致主正、主负继电器损坏。
预充电控制电路如图3-20所示，假设 R s 取100Ω。供电时，BMS首先控制主负继电器和预充继电器，主正继电器断开，接通瞬间，经 R s 流入电容器C的电流在预充继电器、主负继电器的容量范围内，回路安全。待电容器C充电达到目标要求后，此时电容器两端已存在较高电压（Δ V 足够小），继电器两端压差较低，此时闭合就不会引起大电流冲击，BMS控制预充继电器断开，闭合主正继电器，高压接入。
图3-20 预充电控制电路
a）预充电电流流向 b）预充电压VC与预充电流 I P 的变化
（6）动力蓄电池的热管理 热管理的主要功能包括：准确测量和监控动力蓄电池温度；动力蓄电池温度过高时有效散热；低温条件下的快速加热，使动力蓄电池改善工作条件；保证动力蓄电池温度场的均匀分布。
电池的热管理分降温管理和升温管理。
1）降温管理。根据介质不同，降温方式分为空气冷却、液体冷却和相变材料（如石蜡）冷却等方式。
①空气冷却结构简单，成本低，但换热系数低，散热慢。结构有串联（图3-21）和并联（图3-22）两种。串联散热越后面的温度会越高，导致电池组温度不均衡；并联散热则不会。
图3-21 串联式空气散热方式
图3-22 并联式空气散热方式
②液体冷却与空气冷却相比较，散热系数更高，散热快，但需要设置专门的冷却液循环系统（图3-23）。在高温或恶劣工况下，比亚迪秦Pro EV纯电动汽车实行多级冷却电池热管理策略。当动力蓄电池最低温度≥35℃时，电池热管理系统开启冷却工作模式，控制电动水泵转动促使冷却液循环，合理分配整车冷却能量（空调制冷系统）；当动力蓄电池最低温度≤32℃时，电池热管理系统关闭冷却功能。
③相变材料冷却的方法较为昂贵，较少采用。
2）升温管理。对于锂离子蓄电池，-10℃下蓄电池负极石墨的嵌入能力下降，活性变差，这时大电流充电很可能出现电池热失控，甚至发生安全事故。因此，当比亚迪秦Pro EV纯电动汽车BMS监测到动力蓄电池最低温度≤5℃时，电池热管理系统开启加热工作模式，电池加热器通电对冷却液进行加热（图3-23），以提升动力蓄电池的工作环境温度；当蓄电池最低温度≥10℃，电池热管理系统关闭加热功能。
（7）绝缘电阻检测原理 在蓄电池管理系统内，需要对整个电池系统和高压系统进行绝缘检测，以判断漏电情况。比较简单的方法是利用电桥来测量总线正极和负极对地的绝缘电阻，绝缘电阻检测电路如图3-24所示。
图3-23 比亚迪秦Pro EV纯电动汽车热管理系统
图3-24 比亚迪秦Pro EV绝缘电阻检测电路
（8）高压互锁电路原理 高压互锁是用来确认高压系统的完整性和安全性，当高压总线上电之前即主、副继电器闭合之前，高压系统回路断开或完整性被破坏时，高压互锁就会采取安全措施（如断电等）。比亚迪秦Pro EV纯电动汽车高压互锁主要通过接插件的低压连接回路完成，互锁电路如图3-25所示。
图3-25 高压互锁电路
a）高压互锁 b）充电高压互锁
温馨提示：
高压互锁线路及PWM信号检测视频可扫二维码资源3.2观看。
（9）故障诊断与安全保护原理 一个蓄电池包由上百节单体蓄电池组成，电压高达434.35V，一旦发现异常应快速诊断并采取相应保护措施，记录、上报故障码和预警，并通过多重保护机制，确保电池系统安全。当电池系统出现严重故障时，高压接触器必须快速切断以保护电池和整车高压安全。电动汽车故障等级划分见表3-2。
表3-2 电动汽车故障等级划分
故障诊断采用了众多传感器（如加速度传感器用于诊断碰撞信号）进行各种信号采集，通过BMS进行信息分析处理，发出告警并进行相应处理。比亚迪秦Pro EV纯电动汽车的故障诊断及其处理功能见表3-3。
表3-3 比亚迪秦Pro EV纯电动汽车的故障诊断及其处理功能
根据比亚迪秦Pro EV纯电动汽车结构原理，行驶中动力突然中断的故障的可能原因分析方法如图3-26所示。
图3-26 行驶中动力突然中断故障可能原因分析
动力蓄电池管理系统的维修设备与材料准备见表3-4。
表3-4 维修设备与材料
任务实施
1.外部直观检查
1）检查各传感器接插件是否松动，必要时重新拔插；检查外部连线是否损坏，必要时更换。
2）检查电池管理器各端子接插件是否松动，必要时重新拔插；检查外部连线是否损坏，必要时更换。
3）检查采集线插头是否松动，必要时重新拔插；检查外部线束是否损坏，必要时更换。
4）检查风扇接插件是否松动，必要时重新拔插；检查外部连线是否损坏，必要时更换。
5）检查冷却液是否不足，必要时添加。
2.用仪器设备进行故障诊断
（1）检查低压蓄电池电压 用万用表检查，标准电压值为11～14V，如果电压值低于11V，在进行下一步之前请充电或更换低压蓄电池。
（2）车上检查电池管理器端子 断开电池管理器接插件，用万用表测量线束端BK45（A）、BK45（B）输入电压；之后接回电池管理器接插件，测量各端子（图3-27），其正常值见表3-5。
图3-27 电池管理器检测端子
表3-5 端子测量正常值
（续）
①电压随环境温度的变化而变化，测量时，环境温度为18.3℃。
（3）用诊断仪读取故障码 将诊断仪连接DLC3诊断口，整车电源位于ON档，进入电池管理器代码诊断（表3-6）。如有故障码，则应检查对应的故障码。如无故障码，应全面检查系统。
表3-6 电池管理器故障码
（4）电池管理模块电源电路检查 电池管理模块电源电路如图3-28所示。
1）用万用表检查F2/20熔丝、F1/22熔丝，如有烧毁则更换熔丝。
2）检查线束，分别断开BK45（A）接插件、BK45（B）接插件，电源打到ON档，正常值见表3-7。
表3-7 电源电路检查
如阻值正常，则电源电路正常，否则应检查或更换线束。
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（5）霍尔式传感器故障检查 霍尔式传感器电路如图3-29所示。
图3-28 电池管理模块电源电路
图3-29 霍尔式传感器电路
1）检查传感器电源。断开BK51接插件（图3-30），电源置于OK档，用万用表检查线束端子值，正常值见表3-8。
表3-8 线束端子电压值
2）如端子值正常，则更换霍尔式传感器。
3）如端子值不正常，应进一步检查线束。可断开BK51及BK45（A）接插件，检查线束端子间阻值，正常值见表3-9。
表3-9 线束端子间阻值
4）阻值正常，则更换电池管理器。否则更换电池管理器至动力蓄电池之间的线束。
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（6）电池管理模块通信故障 电池管理模块电路如图3-31所示。检查CAN总线，断开BK45（A）接插件，用万用表检查BK45（A）-1与BK45（A）-10端子之间的阻值；插回BK45（A）接插件，检查BK45（A）-1与车身地、BK45（A）-10与车身地之间的阻值。检查结果见表3-10。
图3-30 BK51接插件
图3-31 电池管理模块电路
表3-10 线束端子检测
如端子值正常，或电池子网CAN-H、CAN-L对车身地电压正常，说明CAN线正常；否则应更换CAN线。
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根据上述检查结果，采取相应措施进行维修和复查验证。电池管理器的拆装步骤如下：
1）电池管理器拆卸步骤：如图3-32所示，将电源开关置于OFF档，等待5min；打开前舱盖，断开蓄电池负极；拔掉电池管理器上连接的整车低压线束的接插件，并用8号套筒拆卸PTC驱动器支架；反转支架，用8号套筒拆卸电池管理器的4个固定螺栓，取下电池管理器。
2）按拆卸相反的步骤安装电池管理器。
图3-32 电池管理器拆卸步骤
a）断开蓄电池负极 b）拔掉接插件 c）拆卸电池管理器安装底座 d）拆卸电池管理器固定螺栓
温馨提示：
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任务总结
1）动力蓄电池管理系统（BMS）是监视动力蓄电池的状态（温度、电压、荷电状态等），可以为蓄电池提供通信、安全、电芯均衡及管理控制，并提供与应用设备接口的系统。其主要功能是实时采集监测和显示电源系统的状态参数（总电压、总电流、单体蓄电池的电压与温度、漏电信号、SOC等），根据检测数据计算SOC、SOH值，可靠的通信功能，进行电池的故障诊断、报警和安全保护（过电压、欠电压、过电流、低温、高温、漏电、短路等保护），实施电池的优化管理。
2）动力蓄电池管理系统主要由硬件和软件两部分组成。硬件一般由主控模块、高压模块和分布测量模块组成。软件分别对主控模块和测量模块的各功能单元编写软件程序，而后联结起来构成整个系统程序。
3）动力蓄电池的电压采集目前普遍采用ASIC专用集成电路来完成，电池温度检测普遍采用热敏电阻温度传感器进行，电流检测采用霍尔式电流传感器进行，SOC估算可采用安时积分法等多种方法进行。
4）电池组管理优化原理主要是均衡控制蓄电池组的各单体电池、电流和温度，从而把蓄电池组控制在最佳效率和最佳寿命区工作。预充控制采用预充继电器有效降低瞬时高电压冲击。动力蓄电池的热管理分降温管理和升温管理，降温管理根据介质不同分为空气冷却、液体冷却和相变材料冷却。
5）电池组绝缘电阻检测是利用电桥来测量总线正极和负极对地的绝缘电阻。高压互锁（HVIL）是在高压总线上电之前，高压系统回路断开或完整性被破坏时采取的安全措施。
6）动力蓄电池管理系统故障外部直观检查主要有各传感器接插件及其外部连线、电源管理器各端子接插件及其外部连线、各采集线插头及其外部线束、风扇接插件及其外部连线是否松动、损坏的检查，还有冷却液的检查。
7）动力蓄电池管理系统故障检查尽量采用专用设备进行科学检测，通过读取故障码和数据流进行判断。结合万用表检测各端子的电压、电阻等参数，可以更具体判断故障部位和零部件好坏。